Structure, Electrical and Corrosion Properties of Quasicrystalline Al–Cu–Fe–Sc Thin Films

Abstract

Квазікристалічні плівки номінального складу Al66.5Cu20Fe13Sc0.5 товщиною 200-260 нм, охолоджені зі швидкістю 1012-1014 K/с, були вперше отримані модернізованим методом триелектродного іонплазмового напилення. Плівки осаджували на підкладки, виготовлені з NaCl або сіталу. Покриття аналізували за допомогою рентгеноструктурного аналізу (РСА), скануючої електронної мікроскопії (СEM) та трансмісійної електронної мікроскопії (TEM). Електричний опір вимірювали чотиризондовим методом. Корозійну поведінку в 3 %, 5 % та 16 % водних розчинах NaCl вивчали за допомогою потенціодинамічного методу та модельних випробувань. Осаджені плівки мають наноквазікристалічну ікосаедричну структуру. Після додавання Sc розміри ділянок когерентного розсіювання зменшуються з 3 нм до 1,6 нм. Вимірювання електричного опору під час нагріву вказують на те, що досліджена плівка Al–Cu–Fe–Sc стабільна до температури 623 K. Додавання Sc до плівки Al–Cu–Fe знижує термічну стабільність квазікристалічної фази. Зменшення формуючої здатності квазікристалічної i-фази проявляється в зниженні температури фазового переходу на 100 K у разі додавання Sc. Після відпалу протягом 3 годин за температури 873 K спостерігається укрупнення результуючої структури, при цьому розміри ділянок когерентного розсіювання збільшуються в два рази. Введення Sc до складу плівки Al–Cu–Fe сприяє збільшенню її корозійної тривкості в сольових розчинах. Корозія свіжонапиленої плівки Al–Cu–Fe–Sc відбувається з найменшою швидкістю, однак після відпалу ця плівка кородує з найбільшою швидкістю. Зі збільшенням концентрації натрій хлориду в сольових розчинах з 3 % до 16 %, величини стаціонарних потенціалів корозії зміщуються в бік більш негативних значень. Модельні корозійні випробування протягом 1, 2, 3, 4, 8 діб показують, що всі досліджені плівки практично не кородують у 5 % розчині NaCl. Після перебування в сольовому розчині на поверхні плівок не виявлено слідів пітінгової корозії, характерної для литих сплавів Al–Cu–Fe.

For the first time, quasicrystalline Al66.5Cu20Fe13Sc0.5 films with 200-260 nm thickness cooled at 1012- 1014 K/s were produced by modernized method of three-electrode ion-plasma sputtering. Films were deposited on NaCl or glass-ceramic substrates. The coatings have been analyzed with X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Electrical resistivity was measured by four-probe method. Corrosion behavior in 3 %, 5 % and 16 % NaCl aqueous solutions was studied by potentiodynamic method and model tests. The deposits have nanoquasicrystalline icosahedral structure. As Sc added, the size of coherent scattering regions is found to decrease from 3 nm to 1.6 nm. Measurements of electrical resistivity during heating show that the investigated Al–Cu–Fe–Sc film is stable up to 623 K. Additions of Sc to Al–Cu–Fe film reduce thermal stability of quasicrystalline phase. The decrease in the quasicrystal-forming ability of the i-phase is expressed by the reduced transition temperature that is 100 K lower as Sc is added. Post-annealing treatment for 3 h at 873 K reveals that the resultant microstructural size tends to be coarser, and the coherent scattering regions increase by a factor of two. Additions of Sc to Al–Cu–Fe film made it less susceptible to corrosion in saline solutions. Corrosion of the as-sputtered Al–Cu–Fe–Sc film proceeds at the lowest rate, but after annealing it shows highest corrosion rate. With concentration of sodium chloride in saline solutions increasing from 3 % to 16 %, the values of free corrosion potentials are found to shift to more negative values. Model corrosion tests for 1, 2, 3, 4, 8 days with 5 % NaCl solution indicate that all the investigated films remain virtually untouched by corrosion. No marks of pittings typical for as-cast Al–Cu–Fe alloys are observed on the surface affected by saline solution.